復(fù)雜BLDC控制帶來(lái)更高效電機(jī)應(yīng)用
2023-10-24 10:48:31??????點(diǎn)擊：
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）從簡(jiǎn)單的電動(dòng)工具到復(fù)雜的機(jī)器人，許多機(jī)器設(shè)備都使用無(wú)刷直流電機(jī)BLDC將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在低能效電機(jī)漸漸滿足不了各行各業(yè)需求的今天，高能效的無(wú)刷直流電機(jī)完成對(duì)低能效電機(jī)的替代已經(jīng)是大勢(shì)所趨。
在高效率、高扭矩、低噪音、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)快速等優(yōu)勢(shì)的加持下，越來(lái)越多電動(dòng)設(shè)備開(kāi)始向BLDC轉(zhuǎn)變。雖然BLDC有著這么多優(yōu)勢(shì)，但實(shí)現(xiàn)BLDC的控制是相對(duì)較難的。
BLDC控制的實(shí)現(xiàn)
從工作原理上來(lái)看，BLDC作為電機(jī)，其基本構(gòu)造也是定子加轉(zhuǎn)子，定子是通電的線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，只要給定子上的線圈接入適當(dāng)方向的電流，讓產(chǎn)生的磁極方向與永磁體的磁極對(duì)應(yīng)，就可以旋轉(zhuǎn)起來(lái)。也就是說(shuō)，控制電流的大小和方向，就能控制BLDC轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
對(duì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)完成了控制還不夠，因?yàn)榇藭r(shí)還不知道轉(zhuǎn)子的位置。為了控制BLDC，需要BLDC電機(jī)控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對(duì)于閉環(huán)速度控制，有兩個(gè)附加要求，即對(duì)于轉(zhuǎn)子速度或電機(jī)電流以及PWM信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以控制電機(jī)速度以及功率。
如何得知轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，分出了有感和無(wú)感兩類控制策略。有感控制最常見(jiàn)的是使用霍爾傳感器，給轉(zhuǎn)子位置提供最直接最有效的檢測(cè)。不過(guò)有感的方案不可避免地會(huì)使電機(jī)的體積變大，需要的信號(hào)引線增多，生產(chǎn)成本增加。
特別是在某些應(yīng)用中，如果環(huán)境存在偏極端的高溫高壓工況，額外配置的位置傳感器可能會(huì)受到影響，進(jìn)而影響整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，有系統(tǒng)運(yùn)行失效的風(fēng)險(xiǎn)。
無(wú)感的控制雖然則進(jìn)一步加大了BLDC的控制難度，沒(méi)有了額外的傳感器，那么控制算法勢(shì)必會(huì)更加復(fù)雜，同時(shí)還需要引入前饋控制、觀測(cè)器等概念。但在不需要編碼器等額外的傳感器的情況下完成控制雖說(shuō)更復(fù)雜，但無(wú)感控制也帶來(lái)了更簡(jiǎn)潔的電機(jī)結(jié)構(gòu)并且降低了傳感器失效風(fēng)險(xiǎn)。
目前我們常見(jiàn)的BLDC，硬件配置層面絕大多數(shù)控制方式都以六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的電子換相電路搭配成全橋，控制和驅(qū)動(dòng)組合，再加上位置反饋電路和電流采樣電路。軟件層面則是方波、正弦波控制。
六步換相控制與FOC控制
在方波驅(qū)動(dòng)里，六步換相是使用的非常多的控制手段。六步換相意為在任意時(shí)刻三相BLDC只有兩相通電，另一相開(kāi)路，三相兩兩通電，共有六種組合，以一定的順序每60°變化一次，每360°電周期換相6次，換相發(fā)生在兩個(gè)相鄰狀態(tài)的切換瞬間，由開(kāi)關(guān)管切換完成。以此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，拉動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。
對(duì)于有感的控制方案來(lái)說(shuō)，三個(gè)位置傳感器每當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)60個(gè)電角度，其中一個(gè)霍爾傳感器就會(huì)改變狀態(tài)。而對(duì)于無(wú)感的控制來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有位置傳感器的，那要如何判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置呢？
無(wú)感需要依靠反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定，此時(shí)位置反饋電路被替代為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路。每當(dāng)電機(jī)發(fā)生換向時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的電壓極性發(fā)生變化，即反電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)零值。通過(guò)識(shí)別反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)速位置換向的過(guò)程。不過(guò)無(wú)感的方式復(fù)雜很多，電機(jī)轉(zhuǎn)速為零或較低的情況下很難檢測(cè)到。
六步換相是非常經(jīng)典的電機(jī)控制方案，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很簡(jiǎn)單，不過(guò)方波控制存在比較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，會(huì)有比較大的噪音。FOC則是一個(gè)復(fù)雜且強(qiáng)大的BLDC控制方法，無(wú)感FOC則進(jìn)一步加大了控制難度。
現(xiàn)在FOC、無(wú)感FOC功能幾乎已成為BLDC MCU的標(biāo)配，是體現(xiàn)控制能力的核心競(jìng)爭(zhēng)力。也有叫做VC的說(shuō)法，雖然FOC和VC二者概念上是有差異的，但在大多數(shù)場(chǎng)景里，二者指的是同一種控制方法，即通過(guò)精確地控制磁場(chǎng)大小和方向?qū)崿F(xiàn)更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩控制、更小的噪聲、更高的效率以及更高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
目前FOC正弦波控制已在很多應(yīng)用上逐步替代傳統(tǒng)的控制方式，尤其是在運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)中，其高效的特點(diǎn)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)很明顯。FOC全稱磁場(chǎng)定向控制，拆分開(kāi)來(lái)磁場(chǎng)、定向和控制也是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的步驟。
首先通過(guò)SVPWM合成矢量磁場(chǎng)，再通過(guò)各種檢測(cè)手段測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，最后根據(jù)期望的定子磁場(chǎng)矢量對(duì)磁場(chǎng)的大小和方向進(jìn)行準(zhǔn)確控制。FOC解決了精確控制的難題，同時(shí)FOC在最高轉(zhuǎn)速下正反轉(zhuǎn)切換仍然能夠非常順暢，這些都是其他控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
而且雖然絕大多數(shù)應(yīng)用用開(kāi)環(huán)控制就能解決，但對(duì)于高性能的電機(jī)運(yùn)控應(yīng)用來(lái)說(shuō)，閉環(huán)控制是必需的。FOC不僅提供了優(yōu)良的速度、轉(zhuǎn)矩輸出性能，還解決了自然坐標(biāo)系上實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度、電流閉環(huán)負(fù)反饋控制難的問(wèn)題。
無(wú)感FOC，現(xiàn)在越來(lái)越多BLDC驅(qū)控IC上都能看到它的身影。無(wú)感FOC即在不使用額外位置傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制。沒(méi)有了額外的傳感器，那么控制算法勢(shì)必會(huì)更加復(fù)雜，同時(shí)還需要引入前饋控制、觀測(cè)器等概念。目前常見(jiàn)的無(wú)感FOC會(huì)采用反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)或者高頻注入來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)感FOC。
二者各有利弊，各種反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)魯棒性強(qiáng)，在電機(jī)中高速運(yùn)行場(chǎng)景里很常見(jiàn)，能非常順暢地提供位置觀測(cè)。但電機(jī)轉(zhuǎn)速為零或較低的情況下反電動(dòng)勢(shì)太微弱，觀測(cè)誤差會(huì)增加，大大削弱電機(jī)帶載能力。高頻注入現(xiàn)在應(yīng)用得也越來(lái)越多，雖然高頻注入對(duì)電機(jī)的凸極效應(yīng)要求非常高，但是高頻注入能帶載起動(dòng)并突加負(fù)載運(yùn)行。
小結(jié)
總的來(lái)看，BLDC的控制雖然在原理上和有刷電機(jī)相似，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻要難的多，BLDC需要復(fù)雜的控制器才能將單個(gè)直流電源轉(zhuǎn)換為三相電壓，而有刷電機(jī)可以直接通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)控制。而且FOC控制的鋪開(kāi)，其高效率優(yōu)勢(shì)對(duì)BLDC驅(qū)控硬件的性能要求提高了不少，成本上會(huì)高出不少，同時(shí)還需要電機(jī)參數(shù)相匹配。不過(guò)復(fù)雜的控制為電機(jī)應(yīng)用帶來(lái)了更高的效率和更精準(zhǔn)的控制。
在高效率、高扭矩、低噪音、長(zhǎng)壽命、響應(yīng)快速等優(yōu)勢(shì)的加持下，越來(lái)越多電動(dòng)設(shè)備開(kāi)始向BLDC轉(zhuǎn)變。雖然BLDC有著這么多優(yōu)勢(shì)，但實(shí)現(xiàn)BLDC的控制是相對(duì)較難的。
BLDC控制的實(shí)現(xiàn)
從工作原理上來(lái)看，BLDC作為電機(jī)，其基本構(gòu)造也是定子加轉(zhuǎn)子，定子是通電的線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，只要給定子上的線圈接入適當(dāng)方向的電流，讓產(chǎn)生的磁極方向與永磁體的磁極對(duì)應(yīng)，就可以旋轉(zhuǎn)起來(lái)。也就是說(shuō)，控制電流的大小和方向，就能控制BLDC轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
對(duì)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)完成了控制還不夠，因?yàn)榇藭r(shí)還不知道轉(zhuǎn)子的位置。為了控制BLDC，需要BLDC電機(jī)控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對(duì)于閉環(huán)速度控制，有兩個(gè)附加要求，即對(duì)于轉(zhuǎn)子速度或電機(jī)電流以及PWM信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，以控制電機(jī)速度以及功率。
如何得知轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置，分出了有感和無(wú)感兩類控制策略。有感控制最常見(jiàn)的是使用霍爾傳感器，給轉(zhuǎn)子位置提供最直接最有效的檢測(cè)。不過(guò)有感的方案不可避免地會(huì)使電機(jī)的體積變大，需要的信號(hào)引線增多，生產(chǎn)成本增加。
特別是在某些應(yīng)用中，如果環(huán)境存在偏極端的高溫高壓工況，額外配置的位置傳感器可能會(huì)受到影響，進(jìn)而影響整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，有系統(tǒng)運(yùn)行失效的風(fēng)險(xiǎn)。
無(wú)感的控制雖然則進(jìn)一步加大了BLDC的控制難度，沒(méi)有了額外的傳感器，那么控制算法勢(shì)必會(huì)更加復(fù)雜，同時(shí)還需要引入前饋控制、觀測(cè)器等概念。但在不需要編碼器等額外的傳感器的情況下完成控制雖說(shuō)更復(fù)雜，但無(wú)感控制也帶來(lái)了更簡(jiǎn)潔的電機(jī)結(jié)構(gòu)并且降低了傳感器失效風(fēng)險(xiǎn)。
目前我們常見(jiàn)的BLDC，硬件配置層面絕大多數(shù)控制方式都以六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的電子換相電路搭配成全橋，控制和驅(qū)動(dòng)組合，再加上位置反饋電路和電流采樣電路。軟件層面則是方波、正弦波控制。
六步換相控制與FOC控制
在方波驅(qū)動(dòng)里，六步換相是使用的非常多的控制手段。六步換相意為在任意時(shí)刻三相BLDC只有兩相通電，另一相開(kāi)路，三相兩兩通電，共有六種組合，以一定的順序每60°變化一次，每360°電周期換相6次，換相發(fā)生在兩個(gè)相鄰狀態(tài)的切換瞬間，由開(kāi)關(guān)管切換完成。以此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，拉動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。
對(duì)于有感的控制方案來(lái)說(shuō)，三個(gè)位置傳感器每當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)60個(gè)電角度，其中一個(gè)霍爾傳感器就會(huì)改變狀態(tài)。而對(duì)于無(wú)感的控制來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有位置傳感器的，那要如何判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置呢？
無(wú)感需要依靠反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定，此時(shí)位置反饋電路被替代為反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路。每當(dāng)電機(jī)發(fā)生換向時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的電壓極性發(fā)生變化，即反電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)零值。通過(guò)識(shí)別反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)速位置換向的過(guò)程。不過(guò)無(wú)感的方式復(fù)雜很多，電機(jī)轉(zhuǎn)速為零或較低的情況下很難檢測(cè)到。
六步換相是非常經(jīng)典的電機(jī)控制方案，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很簡(jiǎn)單，不過(guò)方波控制存在比較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，會(huì)有比較大的噪音。FOC則是一個(gè)復(fù)雜且強(qiáng)大的BLDC控制方法，無(wú)感FOC則進(jìn)一步加大了控制難度。
現(xiàn)在FOC、無(wú)感FOC功能幾乎已成為BLDC MCU的標(biāo)配，是體現(xiàn)控制能力的核心競(jìng)爭(zhēng)力。也有叫做VC的說(shuō)法，雖然FOC和VC二者概念上是有差異的，但在大多數(shù)場(chǎng)景里，二者指的是同一種控制方法，即通過(guò)精確地控制磁場(chǎng)大小和方向?qū)崿F(xiàn)更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩控制、更小的噪聲、更高的效率以及更高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
目前FOC正弦波控制已在很多應(yīng)用上逐步替代傳統(tǒng)的控制方式，尤其是在運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)中，其高效的特點(diǎn)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)很明顯。FOC全稱磁場(chǎng)定向控制，拆分開(kāi)來(lái)磁場(chǎng)、定向和控制也是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的步驟。
首先通過(guò)SVPWM合成矢量磁場(chǎng)，再通過(guò)各種檢測(cè)手段測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，最后根據(jù)期望的定子磁場(chǎng)矢量對(duì)磁場(chǎng)的大小和方向進(jìn)行準(zhǔn)確控制。FOC解決了精確控制的難題，同時(shí)FOC在最高轉(zhuǎn)速下正反轉(zhuǎn)切換仍然能夠非常順暢，這些都是其他控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
而且雖然絕大多數(shù)應(yīng)用用開(kāi)環(huán)控制就能解決，但對(duì)于高性能的電機(jī)運(yùn)控應(yīng)用來(lái)說(shuō)，閉環(huán)控制是必需的。FOC不僅提供了優(yōu)良的速度、轉(zhuǎn)矩輸出性能，還解決了自然坐標(biāo)系上實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度、電流閉環(huán)負(fù)反饋控制難的問(wèn)題。
無(wú)感FOC，現(xiàn)在越來(lái)越多BLDC驅(qū)控IC上都能看到它的身影。無(wú)感FOC即在不使用額外位置傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制。沒(méi)有了額外的傳感器，那么控制算法勢(shì)必會(huì)更加復(fù)雜，同時(shí)還需要引入前饋控制、觀測(cè)器等概念。目前常見(jiàn)的無(wú)感FOC會(huì)采用反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)或者高頻注入來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)感FOC。
二者各有利弊，各種反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)魯棒性強(qiáng)，在電機(jī)中高速運(yùn)行場(chǎng)景里很常見(jiàn)，能非常順暢地提供位置觀測(cè)。但電機(jī)轉(zhuǎn)速為零或較低的情況下反電動(dòng)勢(shì)太微弱，觀測(cè)誤差會(huì)增加，大大削弱電機(jī)帶載能力。高頻注入現(xiàn)在應(yīng)用得也越來(lái)越多，雖然高頻注入對(duì)電機(jī)的凸極效應(yīng)要求非常高，但是高頻注入能帶載起動(dòng)并突加負(fù)載運(yùn)行。
小結(jié)
總的來(lái)看，BLDC的控制雖然在原理上和有刷電機(jī)相似，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻要難的多，BLDC需要復(fù)雜的控制器才能將單個(gè)直流電源轉(zhuǎn)換為三相電壓，而有刷電機(jī)可以直接通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)控制。而且FOC控制的鋪開(kāi)，其高效率優(yōu)勢(shì)對(duì)BLDC驅(qū)控硬件的性能要求提高了不少，成本上會(huì)高出不少，同時(shí)還需要電機(jī)參數(shù)相匹配。不過(guò)復(fù)雜的控制為電機(jī)應(yīng)用帶來(lái)了更高的效率和更精準(zhǔn)的控制。
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